基于单片机的GPS车载终端设计

　　摘  要: GPS车载移动终端的功能和工作原理,对车载移动终端的硬件组成和软件设计提出了详细的设计方案,给出了GPS数据的提取方法、GSM模块的短消息AT指令控制以及车载终端的软件总流程图,并验证了该方案的可行性。
   　　关键词: 单片机  GPS  车载终端  短消息
   
   　　警用车辆的指挥调度、运钞车的监控与安全调度、出租车的经营管理和合理调度,已成为公安、银行以及公交运输系统中越来越重要的问题。GPS全球定位技术的出现给车辆、轮船等移动目标的导航定位提供了精确、实时的定位能力。由车载GPS系统所确定的车辆位置信息通过车载通信单元将其发送给调度指挥中心,调度指挥中心便可及时掌握各车辆的具体位置,并可以直观、清晰地显示在电子地图上。通过移动目标监控调度系统,调度指挥中心随时可以知道入网移动目标的方位。不仅可以进行安全合理的监控调度,而且可以为入网移动目标提供无线通信、遇险报警、决策指挥等多项服务。本文提出了一种基于单片机的车载移动终端设计方案。
   1 车载移动终端
   　　GPS车载移动终端采用世界领先的GPS全球卫星定位技术、无线通信技术及计算机数据处理技术,可为用户提供全方位、全时域空间位置信息。主要应用于:私家车防盗、车载电话、车辆保险、远程遥控遥测、运营车辆监控管理及车辆故障管理等。GPS车载移动终端在GPS移动信息服务系统中的应用结构如图1所示。
   
   
   　　通过GPS移动信息服务系统,车载移动终端可以实现如下基本功能:
   　　(1)实时定位功能:运用GPS实现定位获得车辆高精度的位置及状态信息,通过电子地图系统查出车辆地理位置,实现定位和跟踪,并根据需要通知车主或控制中心。
   　　(2)报警功能:为确保人、车安全,设计了多种条件下触发报警功能。
   　　①紧急报警:当车主在遇到紧急情况、车辆故障、交通事故、医疗等情况下,只要按动紧急情况按键,即可通知车主家人、控制中心、汽车俱乐部。通过数据分析可得知车辆位置并设法尽快提供帮助。
   　　②状态报警:可远程遥控设置超速、超加速、越界、停车时间过长、振动、车门动作、GPS无信号、蓄电池电压低等多种报警功能。报警后车主或控制中心会收到报警信息和车辆位置信息。状态报警可以由用户设定来选择各种报警有效与否。在报警状态下,车主家人或控制中心可实现监听功能。
   　　(3)车载电话功能:可以实现完全的GSM车载电话功能。配接免提装置可实现免提通话功能,保证行车安全。
   　　(4)汽车黑匣子功能:可记录汽车最近一段时间的运行状态和轨迹。可根据设置记录一定时间或距离的汽车状态和轨迹,为运营和交通事故处理提供依据。
   　　(5)汽车防盗器:具有近程和远程控制及报警功能。近程可通过RF来实现遥控解除和设置警界状态功能;远程可通过GSM网络将汽车状态通知车主或控制中心,且车主和控制中心可遥控解除和设置警界状态。
   　　(6)具有严格的密码认证功能,车主具有隐私权。
   2 GPS车载移动终端设计
   　　GPS车载移动终端主要由GPS模块及天线、GSM通信模块、微处理器、LCD液晶显示模块、键盘等单元组成。
   2.1 主要硬件模块选型
   2.1.1 微处理器
   　　GPS车载移动终端中控制器的选择至关重要,它不仅影响整个系统的性能,而且关系到车载移动终端的成本。本车载移动终端选择美国CYGNAL公司的C8051F020单片机做处理器。C8051F020与一般的8051相比,其优点在于:(1)运行速度快。芯片采用流水线指令结构,70%的指令其执行时间为1个或2个系统时钟周期,当工作在最大系统时钟频率25MHz时,执行速度可达25MIPS。(2)ADC采样速率高,可达到500Kbps,不必外加ADC芯片就能满足需要。(3)片内存储空间大。该片具有64KB的Flash存储器,4KB数据SRAM和64KB的XRAM。(4)调试方便。片内支持JTAG调试功能。(5)安全机制可靠。具有7种复位源,大大提高了运行可靠性,并利用JTAG口编程对芯片加密,提高了系统的保密性。(6)外部资源丰富,有8个8位的I/O端口,硬件有SMBus(I2C兼容)、SPI及2个增强型UART串口等。
   2.1.2 GPS模块
   　　GPS模块选用瑞士U-BLOX公司的TIM GPS接收器。瑞士U-BLOX公司专门从事GPS集成电路开发,其突出特点是可以将高性能GPS定位接收机做得非常小。TIM GPS接收器自身包含低功耗GPS接收器,尺寸仅为25.4mm×25.4mm×3mm,相当于一个普通芯片的大小,非常适合于对尺寸要求严格的高端应用,如手机、PDA、车载导航等GPS的应用。其定位精度可以达到5～10m,完全可以满足车载的精度要求。
   2.1.3 通信模块
   　　TC35是SIEMENS公司推出的新一代无线通信GSM模块,可以快速、安全、可靠地实现系统方案中的数据和语音传输、短消息服务(Short Message Service)及传真。模块的工作电压为3.3～5.5V,可以工作在900MHz和1800MHz 2个频段,所在频段功耗分别为2W(900MHz)和1W(1800MHz)。模块有AT命令集接口,支持数据、语音、短消息和传真服务等。此外,该模块还具有电话簿功能、多方通话及漫游检测功能。常用工作模式有省电、IDLE和TALK等模式。通过独特的40引脚的ZIF连接器,实现电源连接、指令、数据、语音信号及控制信号的双向传输。通过ZIF连接器及50Ω天线连接器,可分别连接SIM卡支架和天线。
   2.2 GPS车载移动终端的工作原理
   　　TIM GPS接收机通过GPS天线接收卫星信号,解算出车载移动终端的位置信息,一方面存储于缓冲区中,作为日后路径回放用,另一方面直接由单片机通过串口发送到GSM模块。GSM模块再通过GSM短消息方式把位置信息发送到监控中心。监控中心通过GIS软件平台就可以直观、清晰地在电子地图上发现车辆的轨迹,实现车辆的实时监控。另外,车载终端也可以发送报警信息和语音信息到监控中心;监控中心也可以通过文字或语音的方式对车辆实施调度。GPS车载移动终端的总体框图如图2所示。
   2.3 GPS车载移动终端的软件设计
   2.3.1 GPS数据的提取
   　　目前几乎所有GPS厂商都遵循美国国家海洋电子协会(National Marine Electronics Association)制定的NMEA-0183V20通信标准格式。TIM GPS接收机的输出语句按串行通信协议,数据格式为8个数据位、1个起始位、1个停止位,无奇偶校验。可以根据需要选择传输速率。其输出语句采用的是NMEA0183即ASCII格式码,输出语句达十多种,包括GGA、GSA、GSV、RMC、RMT、VTG等。这些定位数据语句不仅给出了位置、速度、时间等信息,而且指出当地的卫星接收情况。实际导航应用读取GPS的空间定位数据时,可以根据需要每隔几秒钟更新一次经纬度和时间数据。而更频繁的数据更新就没有必要了,而且不需要了解NMEA0183通信协议的全部信息,仅需要从中挑选出所需要的那部分定位数据。其余的信息可忽略。所以在提取过程中只提取RMC数据。RMC数据设置包括时间、经度、纬度、高度、系统状况、速度、过程和日期等信息。RMC数据设置描述如表1所示,其数据设置示例如下:
   　　＄GPRMC,130304.0,A,4717.115,N,00833.912,E,000.04,205.5,200601,01.3,W*7C
   
   
   　　单片机提取GPS数据的流程图如图3所示。
   
   
   2.3.2 TC35的AT指令控制
   　　单片机对TC35进行初始化并通过AT指令控制短消息的收发。对短消息的控制有PDU模式和Text模式。Text模式不能发中文,所以本方案中采用PDU模式进行短消息的接收和发送。
   　　首先对TC35进行初始化,设置短消息发送格式AT+CMGF=1,设置短消息中心AT+CSCA=“+8613800531500”(短消息中心),设置短消息到达自动提示AT+CNM1=1,1,0,0,1。
   　　发送短消息的过程:首先设置发送短消息的长度AT+CMGS=;等待TC35模块返回字符“>”,则可以将PDU数据输入;短消息发送成功后,模块返回OK。
       接收短消息的过程:单片机接收到指令+CMT1:“SM”,INDEX(信息存储位置),就开始读取PDU数据,AT命令为AT+CMGR=INDEX。
   2.3.3 车载移动终端软件
       车载移动终端软件总流程图如图4所示。
   
   
       本设计依据GPS全球定位系统、GSM公众网络以及通用的单片机技术,实现了车辆的定位监控。方案经过试验验证其技术可行,并且构成的系统成本低、应用范围广,为智能交通系统中的定位监控提出了一个较好的解决方法。
   
   参考文献
   1  潘琢金,施国君.C8051Fxxx高速SOC单片机原理及应用.北京:北京航空航天大学出版社,2002
   2  刘涛,张春业,韩旭东等.基于手机模块TC35的单片机短消息收发系统.电子技术,2003;(3)
   3  李小民,李先亮.单片机在基于GPS技术车辆监控系统中的应用.电子技术应用,1997;(4)
   4  赵文浩,刘建业,何秀凤.GPS车辆监控系统中短消息通信技术研究.工业控制计算机,2002;15(2)